实验室球盘与全尺寸轨道性能测试之间的相关性外文翻译资料

 2021-12-20 09:12

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实验室球盘与全尺寸轨道性能测试之间的相关性

摘要：美国的铁路每年花费大约25亿美元用于铁路更换和维修，使铁路成为北美铁路行业最宝贵的资产。运输技术中心（TTCI）使用最新一代高级导轨持续进行全面的铁路性能测试。这反过来可以更好地了解需要改进的导轨特性，并用于延长导轨的使用寿命。最近的研究主要集中在使用实验室摩擦试验来简化原型钢轨的发展的方法。摩擦实验的结果表明，滑动球盘实验可以用于定性地近似轨道磨损，并且使用扫描电子显微镜（SEM）可以观察到轨道之间的不同摩擦学行为（轻度到严重磨损）。例如，SEM显微照片分析可以确定在纯滑动下轨道裂纹形成的倾向以及先共析渗碳体和硬质夹杂物（例如Al2O3）对裂缝形成和分层的不利影响。

  1. 简介

开发新型钢轨材料的一个主要目标是通过提高硬度来改善磨损性能和滚动接触疲劳（RCF）[37,38]。随着时间的推移，已经观察到钢轨的硬度和磨损之间的关系[1]。尽管如此，优质钢轨的初始（制造）硬度与磨损性能没有直接关系，这使得基于初始钢轨硬度的磨损预测变得困难，与之前的工作一致[2]。通过向钢（主要是碳）中添加合金元素并进行热处理，相对容易实现增加硬度。然而，对于珠光体钢[3-9]可以达到的硬度存在理论上的限制，并且目前的钢轨钢正在接近这个极限。

高级导轨，以前称为高强度导轨（HSR），由具有珠光体微观结构的高碳钢制成，主要用于重型轴载应用中具有高流量的曲线和轨道。 HSR的典型运行表面的布氏硬度约为370 HB。高级导轨的特点是硬度更高，更好的磨损性能和抗疲劳特性[1]。贝氏体是一种替代的微观结构，过去曾用于钢轨，它可能比珠光体更硬。迄今为止的研究表明，对于钢轨，珠光体微观结构比贝氏体微观结构更合适，特别是对于北美的重载运输[10,39]。显然，珠光体相对于贝氏体的成功归因于其更好的加工硬化能力。目前，新钢的开发主要集中在沿奥氏体 - 奥氏体晶界还原和理想地消除夹杂物和先共析渗碳体。钢铁生产过程中的夹杂物形式，其数量可以通过使用替代技术来减少。可以通过减少碳的量和通过先进的热机械加工来控制先共析渗碳体的量[11,29]。

TTCI是美国铁路协会的全资子公司，位于科罗拉多州的普韦布洛，并在加速服务测试设施（FAST）上不断进行全面的铁路性能测试。以前，使用实验室球盘法确定单个轨道的磨损性能很困难，并且与FAST [1]的全尺寸测试相关联。这是因为在FAST时磨损结果报告为总面积损失，而在盘上盘测试中，结果是根据磨损轨迹的深度报告的。在本文中，提出了一种涉及计算总面积损失的更复杂的方法。丢失的区域直接与FAST结果进行比较。改进的分析方法考虑了磨损轨道内的磨损量，包括每侧金属流动的磨损轨迹（履带肩）的总面积，类似于FAST使用的轮廓叠加法。

  1. 实验程序

FAST是一条4.4公里（2.73英里）的环形赛道。FAST的列车（或编组）有80辆汽车和4辆机车，每辆装载143吨。FAST的导轨承受每轴35.5吨的额定载荷。FAST的火车平均每天完成100圈，相当于440公里（273英里），相当于每天累计负载百万吨MGMT（百万吨）或100万总吨（MGT）

在这项工作中，我们展示了两代优质轨道的结果。第一个被识别为“前一代”（指定为“OLD”）于2001年制造，并在累积435 MGMT（478 MGT）后于2001年至2005年在FAST进行测试。第二代铁路被指定为“当前”发电，于2005年制造，并在累积450 MGMT（495 MGT）后于2005年至2009年在FAST进行了测试。在本文中，我们使用了318 MGMT（350 MGT）累积交通后的截至2008年1月的当前测试结果。另请注意，当前一代中有五种类型的高级轨道，上一代的结果用于比较目的。用于这两个测试的导轨由几家公司制造，并被称为：JFE Steel America Inc.，Mittal，Nippon Steel Corporation，Corus，Rocky Mountains Steel Mills和Voestalpine。

    1. 全面FAST测试

FAST分为41个测试部分，其中不同的铁路轨道部件经受重载运输环境。这样可以加速测试组件的降级，从而实现快速的性能识别。 FAST的一个部分，标识为第7部分，专门用于高级铁路评估。该部分是一条非润滑的5°曲线，可加速磨损并使导轨暴露在恶劣的环境条件下。第7节长305米（1000英尺），超高10.2厘米（4英寸），4.3厘米（1.7英寸）不足。80辆FAST列车的平均运行速度为64.4 km / h（40 m / h），每晚8小时，累计1 MGT /晚。超高程是低轨和高轨之间的高度差（低轨表示内轨，高轨是外轨，曲线轨道为5°）。无效率是平衡高度与实际铁路高程之间的差异。在美国，曲率的大小定义为30.48米（100英尺）的弦所对应的中心角。这意味着一度曲率在曲线和弦之间的中心处具有30.48cm（1英尺）的距离。

每个铁路制造商（控制轨除外）为FAST测试提供了6个24.4米（40英尺）的轨道部分。其中三个部分安装在高轨中，三个安装在低轨中。每根导轨的两个部分分别安装在曲线的两端，第三部分安装在曲线的中心;对于低轨和高轨分别进行了类似的分配。这种钢轨分布考虑了沿曲线的位置的任何潜在影响，并且在这项工作中报告的钢轨磨损结果是平均每条铁路的年龄。控制导轨在每个低轨和高轨上有七个部分。较大数量的控制轨道部分便于铁路性能分析，并用于区分和识别沿曲线的位置的任何影响。

布氏硬度（HB）测量在轨道的顶部进行，在地面上的深度为0.8plusmn;0.2 mm（0.03plusmn;0.001 in。），由美国铁路工程和维护协会（AREMA）指定[12]。遵循这种做法，以便始终在脱碳层下方进行硬度测量。

FAST的Pro fi le测量在0 MGMT（对照测量）下进行，然后每15 MGT至105 MGT进行测量，然后每25 MGT进行测量直至测试结束。使用MiniProfreg;配置测量工具收集导轨配置文件，并使用相关的MiniProfreg;软件分析数据。该软件用于在不同的吨位上叠加配置文件并测量精确的区域损失（磨损）。固定的测量位置是为了确保在每次测量期间在同一位置拍摄的信息。在每个测量循环之前，通过去除可能改变配置测量的任何杂质（包括携带润滑脂）来准备导轨表面。

基于对角线W1，W2或W3，测量的轮廓确定磨损，如图2a中示意性所示。在这项工作中，轨道磨损的分析是通过面积损失进行的，图2b显示了在396 MGT（435 MGMT）之后从第7节移除的高轨头的典型横截面，图2c描绘了覆盖的轨道剖面的示例显示铁路配置文件如何变化以确定对角线和总面积损失与累计吨位的函数关系。在上面列出的每个间隔中，每个轨道部分进行四次测量，如图1所示，并报告平均值。

    1. 实验室球盘摩擦学试验

使用传统的盘上盘式摩擦试验仪对轨道样品进行摩擦学试验。 tribometre是一种专用的销盘式设备，可以测量原位摩擦和正常载荷数据。它由一个旋转/摆动的下部主轴和一个特殊的顶部支架组成，在该主轴上，样品刚性地安装在该主轴上，该特殊的顶部支架通过电磁铁以受控的闭环方式施加正常负载。球样品安装在管状夹头组件中，该夹头组件在两轴水冷力传感器中保持静止。在原位测量摩擦力F和法向力N，并直接计算摩擦系数。加载机构是电磁致动器，其施加从0到22N的正常负载。

实验在22℃和40％RH的实验室条件下进行。对于球盘测试，在50,100,300,600和1000次循环后收集磨损数据。对于所有测试，应用对应于2.5GPa的初始赫兹平均接触压力的10N的恒定法向力[3]。该接触压力相当于第7节（图2，W2和W3）中高轨导轨表面上观察到的接触压力。在轨头上，预期的接触压力略低（即小于2GPa）。测试以每分钟100转进行，对于该工作中使用的几何形状，其对应于0.06m / s的线速度（因此每个循环对应于6times;10-4m的滑动距离）。在tribotests之后，使用配备有2.5␮m测针半径的P-15Tencorreg;接触式测量仪测量4mm磨损扫描。使用25mg正常负载进行测量。在每个tribotest期间产生的磨损轨迹在彼此90°的四个位置处测量。样品被命名为轨道A至E和OLD。

在完成摩擦试验之后，再次清洁圆盘并使用测量法测量磨损痕迹。一些导轨在磨损测试期间产生大量碎屑，并且碎屑被收集并沉积在石墨带上。使用在20kV下操作的Jeol-JSM-6060LV扫描电子显微镜分析碎片和球盘测试样品。使用电子分散的X射线（EDX）探针进行半定量化学分析。在测试之后直接表征样品上的磨损痕迹以保持磁盘样品上的摩擦特性。

  1. 结果与讨论
    1. 硬度测试

在435 MGMT之间，深度在30␮m和100␮m之间的FAST测试轨道上，通过纳米硬度，显微维氏硬度和洛氏C硬度进行多尺度硬度测试。从没有观察到塑性变形的更远处测量母轨alpha;的硬度。结果显示，维氏显微硬度约为420HV，近表面硬度约为746HV。这代表了大约80％的增长。使用纳米硬度测量值，高达1300 HV，增加约300％;不幸的是，纳米硬度结果有明显的分散，这可能是由于压头的尺寸相对于具有明显不同硬度的Fe-alpha;和Fe3C薄片的尺寸[13]。在文献[17]中，据报道，Fe3C（渗碳体）的维氏显微硬度值可高达1250HV，这与纳米硬度试验结果一致。

分析表1中给出的数据清楚地表明，轧制和加工硬化条件下的钢轨硬度没有明显的相关性，从而得出初始硬度几乎与加工硬化能力无关的结论。这使得仅基于初始轨道头部硬度的磨损预测难以预测或无效。其原因是主要由钢化学，热处理和热机械加工驱动的因素组合，这些因素直接影响最终的微观结构特征。例如，通过在较低温度和较高冷却速率下进行热机械加工，可以严密控制层间间距。大多数机械性能（包括磨损）很大程度上取决于层间间距。 Kapoor和Johnson [14,15]在研究称为塑料棘轮磨损的机制时，先前报道了加工硬化。在该理论中，提出由于表面层的挤出而发生轨道的塑性变形。在轨道上发生的另一种磨损机制是分层磨损[2,14-16]。

轨道的加工硬化层的深度是所施加的载荷和钢的机械特性的函数。塑料层的硬度以二次方式衰减，作为深度的函数[30]。加工硬化层的相对较小的厚度妨碍了其硬度的准确测定，这归因于压头的尺寸和商业方法的压痕（Brinell [31]，Rockwell [32]或Vickers [33]）。例如，使用microVickers（␮HV1000）硬度，500␮HV1000材料的压痕尺寸直径约为60␮m，落在加工层（50-200mu;m）的尺寸范围内。根据ASTM规范[33]，显微硬度的使用会影响加工硬化层结果的准确性。此外，Rockwell和Brinell方法无法测量沿着硬化层的硬度。

在重载条件下，珠光体表现为复合结构，其中Fe-␣柔软且具有韧性，而Fe3C是硬质成分（增强体），可作为位错的有效屏障。 Fe-允许相对容易的位错流动，允许塑性变形。由于高应力（通常高于屈服强度）导轨经受，Fe-␣塑性变形并被推出珠光体到达导轨表面，然后通过车轮和导轨之间的滚动滑动相互作用而被移除。这会在轨道表面附近产生Fe-star的饥饿，从而使Fe3C薄片沿着运行表面排列和聚集[4,5,7]。这是一种有效的机制，随着交通的增加，加工硬化层不断发展，直到达到磨损率恒定的平衡阶段。因此，每个轨道的磨损率和加工硬化能力是不同的，并且随化学和热机械加工而变化。

使用本研究中研究的钢轨进行的常规拉伸试验表明，具有较高加工硬化能力的钢是屈服强度和抗拉强度之间差异较小的钢。强度之间的差异是在全尺寸测试开始时磨损性能的良好指标，但在整个测试中也没有相关性。因此，使用拉伸试验作为预测现场行为的方法再次困难，使摩擦学成为确定加工硬化能力和钢轨性能的理想测试方法。因此，附录A中介绍的方法是作为测量钢轨加工硬化和磨损性能的精确技术而开发的。

    1. 全面FAST测试

图4a示出了与对照轨道相比，所有测试轨道在测试开始时表现出更高的磨损（即，y轴用控制轨道B标准化）。但是，轨道A，C，D和E的磨损随着累计吨位的增加而减少;例如，在测试开始时，轨道D显示出最高的磨损率（比轨道B多54％），在229 MGMT（252MGT）之后，轨道D比轨道B减少了7％。相比之下，试验开始时的轨道C表现出比轨道B高23％的磨损，而在229 MGMT（252 MGT）之后，这种差异比轨道B低了4％。因此，对于长期磨损，轨道C似乎是最好的磨损表演轨道。

图4b描绘了FAST的总磨损，其以累积的吨位以几乎线性的方式增加。从图4b可以看出，对于大的累积吨位，OLD轨道是性能最差的轨道，而轨道B和C的性能更好。然而，在试验开始时，轨道B表现出比轨道C更好的耐磨性，但随着交通累积（~175MGMT），它们表现出相当的耐磨性，并且在220MGMT轨道C之后表现出更好的耐磨性。该图的缺点在于难以看到加工硬化效应。相比之下，图4a显示了每个轨道的加工硬化层的明显演变。图4a报告了使用导轨B作为控制导轨的测试导轨的标准化数据，旨在增强加工硬化效果;因此，轨道B相当于比率= 1.正常化磨损最小化了FAST中轨道位置的影响（如果有的话），并提高了每个轨道的加工硬化能力。

    1. 实验室规模摩擦学测试

在使用球盘方法之前，使用其他tribotest方法来验证该技术与其他tribotesting方法的对比，包括双盘，纳米划痕和引脚盘技术。这些测试的结果可归纳如下：纳米划痕测试证明有效识别工作硬化效应，随着累积划痕的数量，显示指数衰减，磨损率降低。加工硬化层在25-30次划痕后完全发展[19]。纳米划痕技术的缺点是高接触压力gt; 10 GPa和分析的少

资料编号：[4319]

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